Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОТКЛОНЕНИЯ ВЕКТОРА ТЯГИ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к регулируемым соплам воздушно-реактивных двигателей, выполненных с возможностью отклонения вектора тяги.

Известен способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя (см. Попов Н.К., Соколов В.Д., Хвостов Н.И. «Сопла воздушно-реактивных двигателей с отклоняемым вектором тяги». - М.: Машиностроение, 1979. - стр.121-122), в котором отклонение струи на выходе из сопла осуществляют за счет механического поворота сверхзвуковой части сопла.

Недостатком данного технического решения является снижение надежности и эффективности управления струей газа из-за относительно низкого быстродействия, значительных шарнирных моментов, возникающих вследствие больших инерционных нагрузок и трения в подшипниковых узлах, уплотнениях и на подвижных створках сопла.

Известен также способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя (Попов Н.К., Соколов В.Д., Хвостов Н.И. «Сопла воздушно-реактивных двигателей с отклоняемым вектором тяги» - М.: Машиностроение, 1979. - стр.128-129) - прототип, в котором отклонение струи на выходе из сопла обеспечивают поступлением газа во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, состоящего из створок, а количество газа, поступающего во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, выбирают в зависимости от необходимого угла отклонения струи на выходе из сопла. В данном способе отклонение струи осуществляется за счет подачи газа из форсажной камеры во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла.

Недостатком этого способа является то, что вдуваемый газ, поступающий из форсажной камеры двигателя и расход которого зависит от необходимого угла отклонения струи и может достигать 20% от основного расхода газа газогенератора (при угле отклонения струи 15°), отрицательно влияет на газодинамические характеристики двигателя и может привести к отказу работы всего двигателя.

Технический результат заявленного способа - повышение эффективности и надежности отклонения газового потока за счет упрощения конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повышение ресурса работы и снижение массы устройства и двигателя в целом.

Для получения заявленного технического результата в предлагаемом способе отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя, включающем обеспечение поступления газа во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, состоящего из створок, а расход газа, поступающего во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла, изменяют давление во внутренней полости сверхзвуковой части сопла путем изменения угла раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, выполненных с возможностью поворота и с окнами, по меньшей мере, на части из них, устанавливают величину суммарного угла раскрытия α₂=α₁+δ_∂ створок сверхзвуковой части сопла, где α₁ - угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла и при равенстве давлений газа на срезе сопла и воздуха окружающей атмосферы, δ_∂ - дополнительный угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, обеспечивают подвод атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла путем открытия окон, при этом количество и расположение открытых окон сверхзвуковой части сопла выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла.

При этом суммарный угол раскрытия α₂ створок сверхзвуковой части сопла составляет 5°-50°.

Окна на створках сверхзвуковой части сопла открывают при помощи управляемых заслонок.

Повышение надежности и эффективности отклонения газового потока в заявленном способе достигается за счет снижения затрат мощности на управление благодаря уменьшению потерь расходуемого газа из газогенератора двигателя, улучшения динамических характеристик устройства благодаря повышенному быстродействию, отсутствию значительных шарнирных моментов, возникающих вследствие больших инерционных нагрузок и трения в подвижных узлах, уплотнениях.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6, на которых изображены:

на фиг.1 - сопло до изменения угла установки створок сверхзвуковой части;

на фиг.2 - сопло после изменения угла установки створок сверхзвуковой части;

на фиг.3 - вариант выполнения сопла с несколькими окнами на створках сверхзвуковой части;

на фиг.4 показаны вид А и направление втекания атмосферного воздуха через открытые окна сверхзвуковой части сопла;

на фиг.5 - вариант выполнения сопла с одним окном на створках сверхзвуковой части;

на фиг.6 показаны вид Б и направление втекания атмосферного воздуха через открытые окна сверхзвуковой части сопла.

Принцип заявленного способа отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя основан на перераспределении давления по внутренней поверхности сверхзвуковой части сопла в результате взаимодействия основного газового потока со вторичной струей воздуха, поступающего из атмосферы. Образованное вторичной струей воздуха препятствие вносит возмущение в набегающий основной газовый поток и перестраивает характер его течения. Вследствие несимметричности этого течения относительно оси сопла появляется нормальная к оси сопла несбалансированная сила, которая и является, в конечном итоге, управляющим усилием.

Для реализации предложенного способа может быть использовано устройство отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя, которое включает сопло двигателя, выполненное с дозвуковой 1 и сверхзвуковой 2 частями. Сверхзвуковая часть 2 сопла содержит створки 3. Для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, по меньшей мере, часть створок 3 сверхзвуковой части 2 сопла имеет окна 4 (на чертежах показаны схематично), выполненные с возможностью их закрытия и открытия. Створки 3 сверхзвуковой части, которые имеют окна 4, содержат управляемые заслонки 5, имеющие собственные приводы 6.

Сопло может дополнительно содержать наружные створки 7, часть из которых имеет окна 8 (на чертежах показаны схематично), выполненные с возможностью их закрытия и открытия. Наружные створки 7 сопла, которые имеют окна 8, содержат управляемые с помощью приводов (на чертежах не показаны) заслонки 9.

При этом створка 3 сверхзвуковой части сопла может быть выполнена с одним окном 4 (см. фиг.5) или с несколькими окнами 4 (см. фиг.3) на ней. Наружная створка 7 сопла также может быть выполнена с одним окном 8 (см. фиг.3) или с несколькими окнами 8 (см. фиг.3) на ней.

Комбинация створок 3 сверхзвуковой части сопла, на которых могут быть выполнены окна 4, может быть различной, например окно или окна могут быть выполнены на каждой из створок, через одну створку, через две створки. Таким же образом могут быть выполнены окна 8 на наружных створках 7.

Использование данного устройства отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя позволяет повысить надежность и эффективность отклонения газового потока благодаря упрощению конструкции, повышению динамических характеристик устройства и ресурса его работы, а также снизить массу устройства и двигателя в целом за счет отсутствия в нем дополнительных клапанов, газоводов, наличие которых в других известных устройствах необходимо для обеспечения функционирования устройства по управлению газовым потоком.

Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя осуществляется следующим образом.

Сначала изменяют угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла до величины α₂=α₁+δ_∂ (см. фиг.2), где α₁ - угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла, δ_∂ - дополнительный угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла. Дополнительный угол δ_∂ раскрытия створок сверхзвуковой части сопла равен сумме углов δ₁+δ₂. Угол раскрытия α₁ створок сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла и при равенстве давлений газа на срезе сопла и воздуха окружающей атмосферы может составлять 4°-30°. При этом суммарный угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла α₂ может составлять 5°-50°. В результате изменения угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла происходит понижение давления p_вн.бок, действующего на боковую поверхность (во внутренней полости) сверхзвуковой части сопла в зоне, расположенной между критическим сечением и выходным сечением сопла, которое становится ниже давления окружающей среды - атмосферного давления р_н, действующего на внешнюю боковую поверхность сверхзвуковой части сопла в той же зоне. На этом режиме работы струя неустойчива, происходят «отрыв» струи от одной части боковой поверхности во внутренней полости сопла и «прилипание» струи к противоположной части боковой поверхности.

Затем при помощи управляемых заслонок 5 с приводами 6 открывают окна 4 на створках 3 сверхзвуковой части сопла для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла. При этом количество и расположение открытых окон 4 на сверхзвуковой части сопла могут быть различны и зависят от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла, который может составлять до 25°. Например, открывают окна на створках, расположенных последовательно друг за другом, составляющих половину от общего числа створок 3 сверхзвуковой части сопла. В результате открытия окон атмосферный воздух поступает во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла. На боковую поверхность во внутренней полости сверхзвуковой части сопла, противоположную открытым окнам, действует пониженное давление р_вн.бок, величина которого ниже атмосферного давления и составляет примерно 0,05...0,07 МПа (0,5...0,7 кг/см²). Разность давлений Δр=р_н-р_вн.бок, действующая на площадь S_бок боковой поверхности сверхзвуковой части сопла, создает боковую силу Р_бок, действующую на двигатель и летательный аппарат. Сила Р_бок является составляющей от общей тяги двигателя и может быть определена следующим образом:

Р_бок=Δр·S_бок

или

Р_бок=P·sinβ,

где Р - тяга двигателя, Р_бок - боковая составляющая тяги, β - угол отклонения струи и вектора тяги.

Таким образом, поступающий во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла поток атмосферного воздуха воздействует на основную струю газа из двигателя и отклоняет ее на угол β.

Указанный диапазон суммарного угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла α₂, равный 5°-50°, является оптимальным диапазоном для эффективного управления летательным аппаратом за счет прилипания струи к боковой поверхности во внутренней полости сопла (эффект Коанда).

При α₂<5° боковая составляющая тяги Р_бок в этом случае составит всего 2% от тяги двигателя, а этого недостаточно для общего управления тягой летательного аппарата.

При α₂>50° может возникнуть отрыв газового потока от боковой поверхности во внутренней полости сопла, что не позволит достичь газодинамического эффекта отклонения струи.

В таблице 1 приведены примеры величин углов α₂, в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла.

При наличии в устройстве наружных створок 7 сопла, имеющих окна 8, для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, одновременно с открытием окон 4, открывают окна 8 при помощи управляемых заслонок 9.

При этом количество и расположение открытых окон 8 на наружных створках 7 могут быть различны и зависят от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла. Например, открывают окна на створках, расположенных последовательно друг за другом, составляющих половину от общего числа створок 7 сопла.

Пример.

Была поставлена задача отклонить вектор тяги воздушно-реактивного двигателя на угол β=15° при следующих исходных данных для двигателя:

- расход газа через сопло двигателя G=190 кг/с;

- давление газа на входе в сопло р_Г ^*=4,2 кг/см²;

- температура газа на входе в сопло Т_Г ^*=2100К;

- площадь критического сечения сопла F_КР=0,57 м².

В результате проведенных расчетов, выполненных численными методами, было установлено, что для отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя на угол β=15° при угле раскрытия α₁ створок сверхзвуковой части сопла, равном 4°, величина суммарного угла раскрытия α₂ створок сверхзвуковой части сопла должна составлять 15°. При этом для подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла необходимо открыть окна на створках, расположенных друг за другом и составляющих половину от общей боковой поверхности сверхзвуковой части сопла. Давление р_вн.бок, действующее на боковую поверхность, противоположную открытым окнам, во внутренней полости сверхзвуковой части сопла, составило 0,5 кг/см². Угол β отклонения струи на выходе из сопла и соответственно вектора тяги воздушно-реактивного двигателя составил 15°.

Применение предложенного способа отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя позволяет повысить эффективность и надежность управления газовым потоком за счет упрощения конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повысить ресурс работы и снизить массу устройства и двигателя в целом.